綜述：3D打印能促進太空探索嗎？

來源：3dnatives



自 20 世紀以來，人類一直著迷于探索太空和了解地球以外的事物。本文主要介紹NASA（美國航天局）和ESA（歐空局）在太空探索方面的一些工作。這場征服的一個重要參與者是 3D 打印。由于能夠以低成本快速生產復雜零件，這種技術在航天領域越來越受歡迎。它可以用來制造例如衛(wèi)星、宇航服和火箭部件等。事實上，據 SmarTech 稱，到 2026 年，私人航天行業(yè)增材制造的市場價值預計將達到21 億歐元 。這就引出了一個問題：3D 打印如何幫助人類在太空中更加突出？

最初，3D 打印主要用于醫(yī)療、汽車和航空航天領域的快速成型。然而，隨著技術的普及，它越來越多地用于最終用途部件。金屬增材制造技術，特別是激光粉末床熔合(L-PBF)，已允許生產各種具有適用于極端太空條件的特性和耐受性的金屬零件。其他 3D 打印技術，例如定向能量沉積(DED)、粘合劑噴射和擠出工藝, 也用于制造航空航天部件。近年來，出現了新的商業(yè)模式，Made in Space 和Relativity Space等公司使用 3D 打印技術設計制造航空航天部件。


△Relativity Space 為航空航天業(yè)開發(fā) 3D 打印機（圖片來源：Relativity Space）

航空航天中的 3D 技術

讓我們更仔細地研究一下航空航天工業(yè)中使用的各種 3D 打印技術。首先，應該指出金屬增材制造尤其是L-PBF，是該領域應用最廣泛的。這個工藝使用激光能源將金屬粉末逐層熔合在一起。它特別適用于生產小型、復雜、精細和定制的零件。航空航天制造商也可以從 DED 中受益，它沉積金屬線或粉末，主要用于修復、涂層或生產定制的金屬或陶瓷部件。

相比之下，粘合劑噴射盡管在生產速度和低成本方面具有優(yōu)勢，但不適合生產具有高機械性能的零件。這是因為它需要后處理強化步驟，這會增加最終產品的制造時間。擠出技術在太空環(huán)境中也很有效，但并非所有的聚合物都適合在太空中使用，PEEK 等高性能塑料憑借其強度可以替代部分金屬部件。然而，這種 3D 打印工藝仍然不太普及，但它可以通過使用新材料成為太空探索的寶貴資產。



△粉末床上的激光融合是航空航天 3D 打印中廣泛使用的工藝（圖片來源：DMG Mori）

空間材料的潛力

航空航天業(yè)一直在利用 3D 打印探索新材料，并提出可能改變市場的創(chuàng)新替代品。雖然鈦、鋁和鉻鎳鐵合金等金屬一直是主要關注點，但有一種新材料可能很快就會成為焦點：月球風化層。月球風化層是一種覆蓋月球的塵埃，歐空局已經展示了將其與 3D 打印相結合的好處。歐洲航天局高級制造工程師 Advenit Makaya 將月球風化層描述為類似于混凝土，主要由硅和其他化學元素（如鐵、鎂和鋁）以及氧氣組成。

月球風化層制造所涉及的大部分過程都使用熱量，使其與 SLS 等技術和使用粉末粘合工藝的打印解決方案兼容。歐空局還在使用 D-Shape 技術，目標是將氯化鎂與材料混合，通過將其與模擬物中存在的氧化鎂結合來制造固體部件。這種月球材料的顯著優(yōu)勢之一是具有更精細的打印分辨率，能夠生產出精度更高的零件。這一特性可能是擴大適用于未來月球基地的應用和制造組件范圍的主要資產。


△月球風化層隨處可見（圖片來源：TriasRnD）

還有火星風化層，指的是在火星上發(fā)現的表面物質。目前，國際航天機構無法回收這種物質，但這并沒有阻止科學家研究其在某些航空航天項目中的潛力。研究人員正在使用這種材料的模擬物并將其與鈦合金結合，以期制造工具或火箭零件。初步結果表明，這種材料將提供更高的強度并保護設備免受生銹和輻射損壞。盡管這兩種材料具有相似的特性，但月球風化層仍然是最受考驗的材料。另一個優(yōu)勢是這些材料可以直接在現場制造，無需從地球運輸原材料。此外，風化層是取之不盡、用之不竭的材料來源。

3D打印在航天領域的不同應用

3D打印技術的應用可以根據所使用的具體工藝而有所不同。例如，激光熔化粉末床工藝可用于制造精細的短期零件，例如工具系統(tǒng)或空間備件。一家名為 Launcher 的加利福尼亞初創(chuàng)公司使用 Velo3D 的藍寶石金屬 3D 打印技術來增強其E-2 液體火箭發(fā)動機。制造商的工藝被用來制造感應渦輪，它在加速和驅動 LOX（液氧）進入燃燒室方面起著關鍵作用。渦輪機和感應器分別使用 3D 打印技術打印出來，然后進行組裝。這一創(chuàng)新部件為火箭提供更大的流體流量和更大的推力，使其成為發(fā)動機的重要組成部分。



△Velo3D 為使用 PBF 技術制造 E-2 液體發(fā)動機做出了貢獻（圖片來源：Launcher）

增材制造具有廣泛的應用，包括小型和大型結構的生產。例如，Relativity Space 的 3D 打印技術可用于制造大型零件，例如火箭油箱和螺旋槳葉片。Relativity Space 已經通過生產 Terran 1 成功地證明了這一點，Terran 1 是一種幾乎完全由 3D 打印而成的火箭，包括一個幾米大的燃料箱。

基于擠出的 3D 打印技術還允許使用 PEEK 等高性能材料來生產零件。由這種熱塑性塑料制成的部件已經在太空中進行了測試，并作為阿聯酋月球任務的一部分被放置在拉希德漫游車上。測試的目的是評估 PEEK 對月球極端條件的耐受性。如果成功，PEEK 有可能在金屬部件斷裂或材料稀缺的情況下取代金屬部件。此外，PEEK 的輕質特性在太空探索中可能具有重要價值。


△3D 打印可以為航空航天業(yè)制造許多零件

3D 打印在航空航天領域的優(yōu)勢

3D 打印是一項極具吸引力的技術，與傳統(tǒng)構造技術相比具有優(yōu)勢，尤其是在零件的最終外觀方面。奧地利 3D 打印機制造商 Lithoz 的首席執(zhí)行官 Johannes Homa 表示，“這項技術使零件更輕�！� 由于設計自由，印刷產品效率更高，需要的資源更少。這對零件生產的環(huán)境影響產生積極影響。Relativity Space 已經證明，增材制造可以顯著減少制造航天器所需的組件數量。以Terran 1 火箭為例，節(jié)省了 100 個零件。此外，這項技術在生產速度方面具有顯著優(yōu)勢，火箭在不到 60 天內完成。相比之下，使用傳統(tǒng)方法制造火箭可能需要數年時間。

在資源管理方面，3D 打印可以節(jié)省材料，在某些情況下還可以回收廢料。最后，增材制造可能成為減輕火箭起飛重量的寶貴資產。目標是最大限度地利用當地材料，例如風化層，并盡量減少航天器中材料的運輸。這使得僅攜帶 3D 打印機成為可能，它可以在旅行結束后在現場創(chuàng)建所有內容。


△Made in Space 已經將其中一臺打印機送入太空進行測試（圖片來源：Made in Space）

太空 3D 打印的局限性

盡管 3D 打印具有許多優(yōu)勢，但該技術仍然相對較新并且有其局限性，Advenit Makaya 表示，“航空航天領域增材制造的主要問題之一是流程的控制和驗證�！敝圃焐炭梢赃M入實驗室，在驗證之前可以對每個零件的強度、可靠性和微觀結構進行測試，這一過程稱為無損檢測 (NDI)。然而，這可能既耗時又昂貴，因此最終目標是減少對這些測試的需求。NASA 最近成立了一個中心來解決這個問題，專注于對增材制造金屬部件的快速認證。中心使用數字孿生改進產品的計算機模型，這將幫助工程師更好地了解零件的性能和局限性，包括它們在斷裂前可以承受多大的壓力。通過這樣做，中心有望幫助促進 3D 打印在航空航天工業(yè)中的應用，使其能夠更有效地與傳統(tǒng)制造技術競爭。


△這些部件經過了全面的可靠性和強度測試（圖片來源：Creaform）

另一方面，如果制造是在太空中完成的，驗證過程就不同了。ESA 的 Advenit Makaya 解釋說：“有一種技術包括在零件打印時對其進行分析�！� 此方法有助于確定哪些打印產品適用，哪些不可用。此外，還有一個用于太空的 3D 打印機的自我校正系統(tǒng)，正在金屬機器上進行測試。機器可以識別制造過程中的潛在錯誤，并自動更改其參數以糾正零件中的任何缺陷。這兩個系統(tǒng)有望提高打印產品在太空中的可靠性。

為驗證 3D 打印解決方案，NASA 和 ESA 制定了標準。這些標準包括要對零件執(zhí)行以確定其可靠性的一系列測試。它們考慮了粉末床融合技術，并正在針對其他工藝進行更新。然而，材料行業(yè)的許多主要參與者，如 Arkema、BASF、Dupont 和 Sabic，也提供這種可追溯性。

生活在太空？

隨著 3D 打印技術的進步，我們在地球上看到了許多成功的項目，包括使用這項技術建造房屋。它讓我們知道，未來這個工藝是否可以用來建造太空中的可居住結構。雖然目前居住在太空中不切實際，但建造房屋，尤其是在月球上建造房屋，對執(zhí)行太空任務的宇航員來說是有益的。歐洲航天局 (ESA) 的目標是使用月球風化層在月球上建造圓頂，可用于建造墻壁或磚塊以保護宇航員免受輻射。根據 ESA 的 Advenit Makaya 的說法，月球風化層由大約 60% 的金屬和 40% 的氧氣組成，是宇航員生存必不可少的材料，因為如果從這種材料中提取，它可以提供取之不盡的氧氣來源。

NASA 已向ICON 撥款 5720 萬美元，用于開發(fā)用于月球表面建造的 3D 打印系統(tǒng)，并且還與該公司合作創(chuàng)建一個名為Mars Dune Alpha的火星之家。目標是測試火星上的生活條件，讓志愿者在家里生活一年，以模擬紅色星球上的條件。這些努力代表了直接在月球和火星上建造 3D 打印結構的重要步驟，這最終可能為人類太空殖民鋪平道路。


△在遙遠的未來，這些房子可以讓生命在太空中生存（圖片來源：ICON）

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